Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 36
Текст из файла (страница 36)
4. Высокоэнергетические смешанные многокомпонентные топлива. Так называют топливо, состоящее из твердотопливной композиции с добавкой жидкого водорода. Например, перхлорат как окислитель с литийбериллиевым горючим (ТРТ) с добавкой жидкого водорода как рабочего тела [60, 65].
5. Высокоэнергетические топлива на основе золей, гелей и суспензий, обладающих свойствами тиксотропности, например, горючее аэрозин с добавкой порошкообразного алюминия, желатинизатора, а в качестве окислителя - смесь фтора и кислорода FLOX [40, 58, 59].
Рассмотрим основные энергетические и физико-химические показатели компонентов вышеперечисленных высокоэнергетических топлив и сравнительные характеристики отдельных групп. Сравнение всех видов новых топлив обычно проводят с кисло-родно-водородным топливом, которое является общепризнанным международным эталоном.
Основным критерием выбора высокоэнергетического топлива являются удельный импульс и плотность топлива. Это основ-ные параметры максимальной скорости полета ракеты на активном участке работы двигателя.
При оценке и выборе высокоэнергетического топлива в последнее время все большее значение придается сравнению не только по удельному импульсу, отнесенному к массе топлива, но и по удельному импульсу, отнесенному к единице объема топлива.
Последняя величина очень важна при определении габаритов и массы ракеты.
Важнейшими показателями топлива являются основные физико-химические константы: температурный градиент жидкофазного состояния, теплоемкость, температуропроводность, стабильность при нагреве и др.
Важное значение имеют эксплуатационные показатели топлива, такие как токсичность, взрыво- и пожароопасность, производственная доступность и стоимость.
При сравнении топлив остановимся только на таких показателях, как удельный импульс, тяги - массовый и объемный, т. е. импульс, отнесенный к 1 кг массы или к 1 м3 объема топлива. Затем там, где это будет возможно, оценим плотность, температуру в камере сгорания, экономичность и эксплуатационные характеристики топлив.
В настоящее время нельзя считать окончательно сложившейся терминологию по высокоэнергетическим топливам.
192
Разработка высокоэнергетических топлив в современных условиях вызвана рядом причин. В первую очередь удельные импульсы тяги топлив, используемых в настоящее время, не удовлетворяют современным потребностям. В современных ракетных системах большой тяги, обеспечивающих вывод в космос больших грузов, потребных, например, для полета на Луну и обратно, требуется увеличение числа ступеней или числа двигателей в связках, что, в свою очередь, снижает надежность работы системы. Увеличение удельного импульса тяги топлива даже на 15-20% дает возможность сократить число ступеней с трех до двух или уменьшить число двигателей в связке примерно на 20-25%.
Увеличение плотности топлива на 15-20% позволяет сократить габариты и вес ракетной системы примерно на 10-20%, что, в свою очередь, позволяет увеличить полезную нагрузку. Влияние увеличения плотности топлива очень легко определяется таким показателем, как удельный импульс тяги на единицу объема J'уд .
Увеличение удельной объемной тяги и плотности топлива можно получить разными путями. Поэтому в разработке современных высокоэнергетических топлив наблюдаются три основных направления.
1. Использование высокоактивных окислителей типа фтора или его производных [49, 59] с высокой степенью криогенности. Развитию и внедрению в практику этой группы препятствуют эксплуатационные свойства фтора и его производных. Все эти вещества обладают сверхвысокой токсичностью, исключительно коррозионноактивны по отношению к конструкционным материалам, имеют весьма высокую стоимость и сравнительно огра-ниченные производственные возможности. При использовании фтора или его производных в качестве окислителя с твердыми горючими СРТ топливо имеет очень высокий удельный объемный импульс и высокую плотность, что способствует резкому сокращению габаритов ракетной системы и позволяет значительно увеличить полезную нагрузку. В качестве горючего с фтором или его производными наиболее целесообразно использование жидкого водорода аммиака или гидразина. Но фторводородное топливо обеспечивает наибольшие из возможных значения удельного импульса тяги - до 4520-4620 м/с. Водород не токсичен, но эксплуатационные трудности использования его очень велики [15, 40, 62].
Использование водорода, аммиака или гидразина с фтором или его производными, естественно, включает эти топлива в со-став 1-й группы БЭТ.
2. Использование в качестве окислителя жидкого кислорода [40]. Эксплуатационные и физико-химические свойства, производственные возможности и стоимость продукта не вызывают
193
трудностей в отличие от применения фтора и его производных. Это очень важно для конструкторов, эксплуатационников и специалистов по топливам. Расширяются возможности использования этого вида топлива на силовых установках самолетов. Од-нако удельный импульс тяги, массовый и объемный, и плотность топлив на основе кислородных окислителей ниже, чем фторпроизводных, примерно на 15-20%, а в некоторых случаях и боль-ше. Подбор и применение СРТ в этом случае несколько исправляет положение.
3. Разработка и использование топлив на основе азотно-кислотных окислителей или в лучшем случае азотного тетраксида, или пятиокиси азота и их смесей с азотной кислотой. Это очень дешевые топлива массового производства, в которых можно ши-роко использовать так называемые «бросовые» материалы - графит, битум, отходы резиновой и пластмассовой промышленности [29, 40].
Основная задача разработки этого направления заключается в том, чтобы увеличить удельный импульс тяги этих видов топлив до уровня 2455-2945 м/с на 1 кг топлива. Такие топлива становятся конкурентоспособными с современными твердыми и жидкими топливами и могут использоваться в двигательных установках 1-й ступени, т. е. на взлете, или приобретают более высокое качество при использовании в системах массового про-изводства.
Подбор окислителя и горючего
Для всех трех направлений в разработке высокоэнергетического топлива главным является правильный подбор окислителя и горючего.
Известно, что лучшие значения удельного импульса тяги получаются, когда сжигаются [35, 40]:
углерод в кислороде - Rуд = 320 с; Iуд=3140 м/с;
водород во фторе - Rуд = 470 с;Iуд = 4620 м/с;
бор и углеводороды в смеси фтора и кислорода - Rуд = 350с; Iуд = 3440 м/с.
В последнее время эти условия получили вполне четкое объяснение. Пределы удельного импульса тяги определяются затратой энергии на создание межмолекулярных связей при образовании различных составляющих в продуктах сгорания того или иного топлива. Так, для связи атомов водорода и кислорода в продуктах сгорания требуется большая затрата энергии, и позтому при использовании перекиси водорода или азотной кислоты в качестве окислителя удельные импульсы тяги получаются меньше. На связи атомов азота и кислорода затраты энергии меньше, и поэтому удельные импульсы тяги будут больше, на-
194
пример, с гидразином и азотным тетраксидом. На связи водорода и фтора в продуктах сгорания затраты энергии очень малы по сравнению с предыдущими случаями, и это топливо всегда дает наибольшие удельные импульсы тяги [40].
Важность подбора окислителя для соответствующего горючего можно подтвердить опираясь на цифровой материал. Так, используя в качестве горючего несимметричный диметилгидразин (CH3)2N2H2, для разных окислителей при прочих равных условиях будем иметь следующие результаты [1, 2, 40]:
НДМГ+фтор —Rуд = 345 с;Iуд = 3390 м/с;
НДМГ+кислород — Rуд = 310 с;Iуд = 3045 м/с;
НДМГ+перекись водорода — Rуд = 280 с; Iуд = 2750 м/с;
НДМГ+ азотный тетраксид —Rуд = 290 с; Iуд = 2850 м/с.
Это для стехиометрических соотношений компонентов. Несколько лучшие результаты можно получить для гидразина N2H4, в состав которого не входит углерод и, следовательно, нет затраты энергии на связи между кислородом и углеродом в продуктах сгорания [2, 34, 40]:
Гидразин+фтор — Rуд = 355 с; Iуд = 3480 м/с;
гидразин+кислород —Rуд = 305 с; Iуд = 3000 м/с;
гидразин+азотный тетраксид — Rуд = 290 с; Iуд = 2850 м/с;
гидразин+четырехфтористый гидразин — Rуд = 335 с; Iуд = = 3290 м/с.
Образование устойчивых продуктов реакции при малых энергиях связи всегда обеспечивает увеличение удельного импульса тяги, например, образование фторидов металлов почти всегда дает увеличение импульса тяги на 5-10% [40].
Более удачное соотношение элементов имеет место при ис-пользовании в качестве окислителя OF2 или О2F2, так, например, с метанолом в качестве горючего OF2 дает Rуд = 350 с; Iуд = = 3470 м/с, а чистый фтор обеспечивает только 325 с, 3270 м/с. Кроме того, необходимо учитывать, что образующиеся продукты реакции должны иметь минимальный молекулярный вес и чем больше в их составе будет свободного водорода, тем выше будет удельный импульс тяги.
Выбор оптимальных значений и
Выбор оптимальных значений а и к является одной из важнейших проблем для высокоэнергетического топлива. Нельзя устанавливать оптимальные значения и , при которых данное топливо дает максимальный удельный импульс на двигателе. Вопрос о выборе оптимальных значений или тесно связан не только с величиной удельного импульса тяги, но и с плотностью топлива, которая зависит от и . Надо учитывать, что максимальное значение удельного импульса не совпадает с наибольшими значениями плотности топлива. Формальный выбор и по максимальным значениям удельного импульса тяги мо-
195
ж
ет привести к таким значениям плотности топлива, которые окажутся весьма не рациональными с точки зрения габаритов баков и питательных систем ракеты. Последнее обстоятельство особенно резко проявляется для топлива кислород - водород (рис. 5.1) [1, 2, 40]. Это топливо имеет максимальный удельный импульс тяги при = 0,3, при этом плотность топлива будет только 0,2 кг/м3. Между тем стехиометрические соотношения для кислородводородного топлива =1,0 и = 8,1, плотностьтоплива составляет около 0,42, а удельный импульс тяги на 15% ниже оптимума. Однако, если просчитать объем баков для оптимального удельного импульса тяги, то он окажется почти в 2,5 раза больше, чем для стехиометрических условий. Большинство наших топлив имеет оптимальный удельный импульс тяги ближе к стехиометрическим условиям, обычно в области = 0,8...0,9; в этом случае разница в плотности топлива для опт и =1,0 очень мала и почти не сказывается на габаритах баков и топливных магистралей. Так, для фторводородного топл-ва, которое является самым высокоэнергетическим, оптимальное значение = 0,7, разница в плотности между опт и =1 не более 0,1 г/см3, что вызывает увеличение габаритов баков не более 10-12% против стехиометрических условий. В данном случае нет необходимости учитывать изменение плотности топлива при выборе оптимального а еще и потому, что удельный импульс тяги при значительном изменении а меняется в очень малых пределах, т. е. кривая изменения удельного импульса тяги очень полога, а для кислородводородного топлива она имеет крутое падение. Следовательно, при выборе оптимальных значений и надо учитывать форму кривой изменения удельного импульса тяги по и . При этом надо помнить, что нарастание плотности топлива имеет плавный характер при увеличении и и не имеет максимума (при =1,0) вблизи области стехиометрии.
196
Жидкие высокоэнергетические криогенные топлива
Кислородводородное топливо [40]
Рассмотрим и оценим свойства кислородводородного топлива как эталонного топлива. Кислород как окислитель используется очень давно, его свойства и эксплуатационные показатели широко известны. Водород - горючее в этом топливе, в настоящее время он начинает широко внедряться в ракетную практику. Рассмотрим свойства и эксплуатационные показатели водорода, которые известны еще далеко не полно.
При нормальной температуре водород - бесцветный газ, без запаха, нетоксичный, но дыхание не поддерживает. Газофазный водород называется нормальным и состоит из 25% параводорода и 75% ортоводорода. Различие пара- и ортоформ определяется ядерным спином в молекуле водорода, у параводорода спин противоположно направленный, у ортоводорода -одинаково направленный.
Наличие этих двух форм существенно сказывается на экс-плуатации водорода. С понижением температуры происходит ре-конверсия - переход из орто- в параформу, при этом меняется направление спина и выделяется заметное количество тепла.
При температуре 21 К почти весь водород переходит в параформу (99,7%) [40,41].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
